Kako izraditi termodinamički sustav od kartonske kutije

Opis postupka

Termodinamički sustav izraditi od kartonske kutije od valovite ljepenke, približno stranica od 50 cm, obložiti ju iznutra s pločama stiropora debljine 5 cm. Staviti u nju termometar, kutiju zatvoriti i ostaviti pola sata. U međuvremenu čašu napuniti s vodom poznate mase. Masu vode izmjeriti vaganjem ili računom iz poznatog volumena i gustoće vode. Vodu zagrijati da bude vrela, tj. na temperaturu 90-100oC. Nakon pola sata očitati temperaturu zraka u kutiji, i u kutiju staviti čašu punu vrele vode. Izmjeriti početnu visoku temperaturu vode. Nakon sat ili dva, ovisno o veličini kutije i količini vrele vode, provjeriti da se izjednačila temperatura vode u čaši i zraka u kutiji. Potražiti tabelirani podatak o specifičnom toplinskom kapacitetu vode. Iz mjerenih podataka . mase vode i razlike između početne i konačne temperature, te tabeliranog podatka o specifičnom toplinskim kapacitetu vode, izračunati količinu topline koju je sustav „čaša s vrelom vodom“ predao okolini „zraku u zatvorenom termodinamičkom sustavu“.

Zaključak

1. Prepoznajte sustav koji je predao energiju.

2. Prepoznajte okolinu koja je preuzela energiju.

3. Je li zatvoreni termodinamički sustav primio energiju, izgubio energiju, ili je količina energije ostala nepromijenjena(konstantna)?

4. Što je to specifični toplinski kapacitet i zašto je potreban pri izračunavanju količine energije koju je sustav predao okolini?

U termodinamičkom sustavu načinjenom od kartonske kutije i stiropora razlikujemo sustav bogat energijom (vrela voda) i okolinu (zrak) koja može od sustava primiti energiju. Granica sustava je čaša koja ograničava volumen vrele vode. Unutar zatvorenog termodinamičkog sustava došlo je do izmjene topline koja je prešla s vrele vode na hladni zrak. Sustav je izgubio energiju predavši ju zraku, a zrak je primio energiju dobivši ju od vrele vode, ali je ukupna količina energije u zatvorenom termodinamičkom sustavu ostala konstantna. Nadalje, zatvoreni termodinamički sustav, načinjen od kartonske kutije i stiropora, ima svoju okolinu, a to je razred u kojemu je izveden pokus. Budući da je zatvoreni termodinamički sustav dobro izoliran s kartonom i stiroporom, između njega i njegove okoline ne dolazi do izmjene energije. Ako se kutiju otvori i naruši dobra izolacija, ovaj sustav je otvoren i doći će do izmjene energije s okolinom, tj. sa zrakom u razredu.

Izmijenjenu energiju se računa prema formuli: , gdje je c specifični toplinski kapacitet.
To je veličina karakteristična za pojedinu tvar (zato se naziva „specifični“), a kazuje koja je količina topline potrebna da bi se 1 kg te tvari zagrijao za 1 stupanj. Mjerna jedinica za specifični toplinski kapacitet je džul po kilogramu i kelvinu ( ), pa prilikom izračunavanja treba paziti da jedinice za pojedine fizičke veličine budu usklađene.